Основы инновационного материаловедения
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Материаловедение
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Автор:
Сироткин Олег Семенович
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 157
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
Дополнительное профессиональное образование
ISBN: 978-5-16-009755-8
ISBN-онлайн: 978-5-16-101164-5
Артикул: 152250.09.01
Доступ онлайн
В корзину
С опорой на четыре фундаментальные базисные инновации изложены современные концептуальные и теоретические положения, раскрывающие специфику предмета материаловедения как единой естественной науки о металлах и неметаллах. В результате впервые показано, что ответ на вопрос о единстве природы металлических и неметаллических материалов и специфике их отличий в структуре и свойствах наиболее точно раскрывается через универсальные системы базовых понятий и многоуровневой классификации их структур, единую модель химической связи элементов тонкой микроструктуры и Систему химических связей и соединений (СХСС). Рассматривается новая универсальная методология проектирования структуры материалов с комплексом заданных свойств.
Монография предназначена для ученых и специалистов материаловедов, изучающих и практически опирающихся при конструировании новых типов химических веществ и материалов на теоретическую оценку влияния специфики их многоуровневой структуры на свойства «различных по природе» видов металлов, неметаллов (полимеров и керамик) или смешанных их типов с учетом основных рассматриваемых базисных инноваций. Это имеет особое значения для создания как новых конструкционных, так и электротехнических материалов, отвечающих современным требованиям тепло- и электроэнергетики, а также промышленности в целом.
Тематика:
ББК:
УДК:
- 620: Испытания материалов. Товароведение. Силовые станции. Общая энергетика
- 669: Металлургия. Металлы и сплавы
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 04.03.02: Химия, физика и механика материалов
- 22.03.01: Материаловедение и технологии материалов
- ВО - Магистратура
- 04.04.02: Химия, физика и механика материалов
- 22.04.01: Материаловедение и технологии материалов
- ВО - Специалитет
- 18.05.01: Химическая технология энергонасыщенных материалов и изделий
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Москва ИНФРА-М 202ОСНОВЫ ОСНОВЫ ИННОВАЦИОННОГО ИННОВАЦИОННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ Î.Ñ. ÑÈÐÎÒÊÈÍ Î.Ñ. ÑÈÐÎÒÊÈÍ ÌÎÍÎÃÐÀÔÈß ÌÎÍÎÃÐÀÔÈß
Сироткин О.С. Основы инновационного материаловедения : монография / О.С. Сироткин. — Москва : ИНФРА-М, 2023. – 157 с. — (Научная мысль). ISBN 978-5-16-009755-8 (print) ISBN 978-5-16-101164-5 (online) С опорой на четыре фундаментальные базисные инновации изложены современные концептуальные и теоретические положения, раскрывающие специфику предмета материаловедения как единой естественной науки о металлах и неметаллах. В результате впервые показано, что ответ на вопрос о единстве природы металлических и неметаллических материалов и специфике их отличий в структуре и свойствах наиболее точно раскрывается через универсальные системы базовых понятий и многоуровневой классификации их структур, единую модель химической связи элементов тонкой микроструктуры и Систему химических связей и соединений (СХСС). Рассматривается новая универсальная методология проектирования структуры материалов с комплексом заданных свойств. Монография предназначена для ученых и специалистов материаловедов, изучающих и практически опирающихся при конструировании новых типов химических веществ и материалов на теоретическую оценку влияния специфики их многоуровневой структуры на свойства «различных по природе» видов металлов, неметаллов (полимеров и керамик) или смешанных их типов с учетом основных рассматриваемых базисных инноваций. Это имеет особое значения для создания как новых конструкционных, так и электротехнических материалов, отвечающих современным требованиям тепло- и электроэнергетики, а также промышленности в целом. УДК 669:621.7 ББК 30.3 УДК 669:621.7 ББК 30.3 С40 © Сироткин О.С., 2011 С40 Подписано в печать 24.03.2023. Формат 6090/16. Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура Newton. Усл. печ. л. 9,81. ППТ10. Заказ № 00000 ТК 152250-2020542-250311 ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1 Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29 E-mail: books@infra-m.ru http://www.infra-m.ru Рецензенты: заведующий кафедрой технологии электрохимических производств Казанского государственного технологического университета, д-р техн. наук, проф. Кайдриков Р.А.; заместитель начальника службы металлов и сварки ООО «Энергопрогресс», канд. техн. наук Гребенщиков П.Т. ФЗ № 436-ФЗ Издание не подлежит маркировке в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1 ISBN 978-5-16-009755-8 (print) ISBN 978-5-16-101164-5 (online) Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1 Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
ПРЕДИСЛОВИЕ Материаловедение как традиционно прикладная наука и учебная дисциплина сегодня неминуемо вступает в новый этап своего разви- тия. Он связан со становлением ее индивидуальных особенностей, позволяющих рассматривать ее уже не просто как «механический» симбиоз достижений химии, физики, механики и технологии, а как науку, характеризуемую качественно новой совокупностью призна- ков, отличающих материаловедение (ее объект и предмет исследова- ния) от каждой из вышеперечисленных дисциплин. Целью настоящей монографии как раз и является попытка раскры- тия совокупности этих качественно новых признаков материаловеде- ния, отличающих ее от других естественнонаучных и учебных дисци- плин. Это является сегодня теоретически и практически важной зада- чей материаловедения, так как именно решение проблемы вскрытия фундаментального единства металлических и неметаллических мате- риалов и различий в их структуре и свойствах и позволит создать универсальную научно-методологическую опору для конструирова- ния их структуры и получения материалов нового поколения [1-54]. А для этого необходима опора на ряд базисных научных иннова- ций [8-17,37-40], позволяющих раскрыть единство и индивидуаль- ность материаловедения и далее разработать современную научную методологию прогнозирования структуры и свойств новых материа- лов. Сегодня под просто инновацией понимаются продукты творче- ского труда, имеющие завершенный вид товара, готового к примене- нию и распространению [5,6]. А под базисными инновациями пони- маются такие инновации, в основе которых лежат фундаментальные научные достижения, позволяющие создавать качественно новые сис- темы и продукты (материалы, технологии, учебники и т.д.) следую- щих поколений. К таким инновациям следует отнести создание само- лета, персонального компьютера, наноструктурированных материалов и т.д. По мнению автора, ярким примером базисной инновации для своего времени может служить Периодическая система атомов Д.И. Менделеева, позволившая спрогнозировать наличие в природе и свой- ства атомов не известных ученым в тот период времени. Кроме того, именно она позволила сегодня понять, что Системы, объединяющие различные виды веществ и полей, должны иметь место и для других разновидностей вещества (химического, биологического, элементар- ного физического и т.д.). Таким образом, базисные научные иннова- ции должны лежать и в основе современных монографий, учебников и т.д. по конкретным естественнонаучным дисциплинам. Решение поставленной задачи автором проведено через вскрытие фундаментальной общности металлов и неметаллов на уровне базо- вой электронно-ядерной (химической) тонкой микроструктуры, а также причин отсутствия в металлах молекул и различий в нано-, ме-
зо-, макроструктурных уровнях. И эта разница в структуре и опреде- ляет отличие в свойствах и областях применения современных ме- таллических, неметаллических и смешанных (гибридных) типов мате- риалов (металлы, полимеры, керамика, интерметаллиды, полу- и сверхпроводники и т.д.). Напомним, что железо в чистом виде сегодня реально не представляет практического интереса как конструкцион- ный материал. Только в виде сплава с углеродом (стали и чугуны) оно приобретает ценные эксплутационные характеристики конструкцион- ного материала. Но при этом рост прочности определяется появлени- ем и увеличением доли фазы цементита в сплаве, которая по своей природе является уже неметаллом, так как ковалентность связи Fe-C в ней превышает металлическую составляющую [15,16,34]. Что сегодня заставляет нас рассматривать стали и чугуны как композиционные системы, на основе металлических (феррит и т.д.) и неметаллических фаз (цементит и графит) или например, перлит (смесь феррита и це- ментита) и ледебурит (смесь аустенита и цементита). Причем именно появление в железе неметаллических фаз (типа, цементита) и опреде- ляет, рост прочностных характеристик стали и возможность примене- ния ее в качестве важнейшего конструкционного материала. В качестве базисных инноваций, определяющих единство и разли- чие структуры и свойств металлов и неметаллов, автор использовал четыре научных обобщения, полученные и разработанные им или им вместе с учениками в период с 1991 по настоящее время [10-14,37- 42,54-57]. Это универсальные системы базовых (основных и вспомо- гательных) понятий материаловедения [38] и многоуровневой клас- сификации структур материалов [12-14,42,54], единую модель хими- ческой связи элементов их тонкой микроструктуры и Систему хими- ческих связей и соединений (СХСС) [8-10,13,55-57]. Соавторами 3 (раздел 3.1 и подраздел 3.3.3) и 4 глав данной моно- графии является к.х.н., PhD Р.О. Сироткин, 3 главы (подраздел 3.3.5.) – к.т.н. П.Б. Шибаев и (подраздел 3.3.3) – к.т.н, А.М. Трубачева. Автор выражает благодарность коллегам по возглавляемой им ка- федре «Материаловедение и технологии материалов» КГЭУ и универ- ситету в целом за дискуссии, ценные замечания и всестороннюю по- мощь (оформление рисунков и т.д.) в создании данной работы. Пред- ложения и замечания по представленной работе прошу высылать ав- тору на адрес КГЭУ (кафедра МВТМ). 420066, г. Казань, ул. Красно- сельская, 51, КГЭУ, кафедра МВТМ, тел.: 43-36-81 (р), e-mail: Oleg_Sirotkin@front.ru. Автор
Глава 1. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ В XXI ВЕКЕ Хорошо поставить вопрос – значит наполовину решить его Д.И. Менделеев Развитие и становление любой научной дисциплины, вклю- чая материаловедение, всегда протекает через две основных стадии. На первой происходит накопление эмпирических фактов, а на вто- рой – их переход в новое качество, позволяющее раскрыть фунда- ментальность науки и ее отличия от других дисциплин и ее прогно- зирующие способности в своей области. Каково же состояние мате- риаловедения сегодня в 21 веке? Попробуем дать ответ на этот во- прос. 1.1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ И ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ Охарактеризуем вначале современные тенденции в развитии ма- териаловедения, которая, как и любая естественная наука, непре- рывно развивается, что требует постоянного совершенствования ее теоретических и прикладных основ. Традиционно металлы рассматриваются в этой науке как основ- ной и важнейший тип материалов, что, несомненно, имеет соответ- ствующую историческую и практическую опору [18-22,28]. Однако требования к набору необходимых сегодня свойств, предъявляемых современной промышленностью к материалам постоянно растет. Причем по ряду этих физико-химических свойств металлы уже практически достигли своего потолка, а некоторые не могут обеспе- чить их в принципе (например, эластичность и высокоэластичность, соответствующую жаростойкость и жаропрочность, способность материала к длительной эксплуатации в окислительной среде и при воздействии механических нагрузок и температур выше 1000 граду- сов и т.д.). С начала XX века наука предоставила для материалове- дов в качестве объекта исследования и применения качественно но- вый вид материалов – органические синтетические полимеры (типа полибутадиена, фенолоформальдегидных смол и т.д.) и композици- онные системы на их основе. Причем с середины 50 годов прошлого века объем производства органических полимерных материалов превысил производство алюминия. На рубеже XXI века мировое производство органических (углеродных) полимерных материалов достигло 200 млн. т. в год [7]. При этом понятно, что ввиду низкой плотности (удельного веса) органических полимеров по сравнению с
металлами, практическое применение первых по объему становится соизмеримым, с металлическими. Особенно, если дополнительно учесть материалы на основе неорганических (или точнее безугле- родных) полимеров (типа керамик, неорганических оксидных сте- кол, связующих, графитовых, асбестовых, слюдяных и др. материа- лов), построенных на основе полинеорганоэлементооксановых и других макромолекул [8]. Их производство в конце прошлого века приблизительно в 100 раз превышало производство органических полимеров [23]. Причем динамика роста производства только орга- нических (углеродных) полимерных материалов характеризуется тем, что практически каждое десятилетие в течение последних 30 лет имеет место удвоение объема выпуска этих полимеров. Одно- временно по данным академиков В.А. Легасова, Ю.Д. Третьякова и других сейчас наступает эра не только полимерных, но и керамиче- ских материалов. Основанием справедливости подобного утвержде- ния служат данные свидетельствующие, что при сегодняшнем про- изводстве стали около 1 млрд. т. год запасы железных руд должны истощиться через 50 лет. Уже сейчас для производства железа ис- пользуются руды с пониженным содержанием железа в сырой руде (35-50%) [9,13,58]. Учитывая же практически неисчерпаемую сырье- вую базу для получения керамических материалов (Земная кора с ее огромным многообразием минералов на основе высокомолекуляр- ных соединений со связями Э-О), меньшую энергоемкость и боль- шую экологичность их производства, уникальный диапазон их свойств (от жаростойких и сверхтвердых до эластичных, от диэлек- трических до электро- и сверхпроводящих) и широту областей прак- тического применения этих материалов, трудно не согласиться с вы- водом о перспективности и необходимости развития керамического материаловедения. Поэтому сегодня целесообразно говорить о комплексном исполь- зовании различных материалов без их противопоставления друг дру- гу. Это утверждение имеет серьезную опору, так как каждый из них (металл, полимер, керамика и т.д.) имеет свои традиционные облас- ти применения (и соответствующие материаловедческие «ниши»). Тем более, что новые достижения материаловедческой науки, при- вели к созданию таких материалов нового поколения (композицион- ных и наноматериалов, керамических и полимерных проводников и сверхпроводников, металлических стекол и т.д.), которые обладают свойствами или их комплексом не присущим традиционным мате- риалам. Чего только стоят керамические материалы, которые можно ковать или формовать из них изделия литьем или аморфные металлы и наноматериалы! Ведь по существу это гибридные материалы, со- четающие свойства двух или даже трех традиционных видов мате- риалов (металлов и стекол или керамик, полимеров и металлов).
Значительный вклад в создание научных основ металловедения внесли: П.П. Аносов (1799-1851г.г.), установивший зависимость ме- жду строением стали и ее свойствами; Д.К. Чернов (1839-1921г.г.), открывший полиморфизм и заложивший совместно с С.С. Штейн- бергом (1872-1940г.г.) научные основы термической обработки ста- лей; Н.С. Курнаков (1860-1941г.г.), разработавший методы физико- химического анализа металлов и классификации сложных фаз в ме- таллических сплавах (включая разделение их и химических соеди- нений в целом на дальтониды и бертоллиды); Н.В. Агеев (1903- 1983г.г.), показавший специфику химической природы металличе- ской связи в металлических сплавах и ее влияние на их структуру и свойства и другие [1,2,4,11,18-20,28]. Научные основы высокомолекулярных соединений и полимер- ных материалов на их основе начали закладываться в теории химического строения вещества А.М. Бутлерова (1828-1886 г.г.) и базируются на представлениях о специфике природы полимеров и теории цепного строения макромолекул Г. Штаудингера (1881-1965 г.г), в работах по полимерам В.А. Каргина (1907-1969 г.г), В.В. Коршака (1909-1988 г.г) и многих других ученых [8-10,25,53], включая, элементоорганические ( смешанные) [25] и неорганические (безуглерод- ные) [8,23] полимеры. Не смотря на то, что керамика является наиболее древним искусственным материалом, полученным человеком (известен более 14000 лет), формирование современных начал теории керамического материаловедения следует отнести к середине XX века. Именно тогда с помощью рентгеноструктурного анализа удалось показать, что силикаты не являются ионными кристаллами, а преимущественно ковалентными соединениями (то есть моно- и макромолекулярными веществами). Отметим важный вклад кристаллохимической школы академика Н.В. Белова (1891-1982 г.г) [8,27], показавшего «приспособляемость» силоксановых цепочек к катионам – модификаторам в структуре силикатов (а по существу их гибкость) и многими други- ми отечественными и зарубежными учеными. При этом нужно по- нимать, что химическая природа большинства керамических мате- риалов (на основе оксидов, нитридов, карбидов и других соедине- ний) и неорганических стекол родственна (по природе преимущест- венно ковалентной связи цепеобразующих элементов) органическим (углеродным) полимерным материалам. Это связано с тем, что в ос- нове структуры тех и других лежат высокомолекулярные соедине- ния или полимерные трехмерные тела, элементы которых, объедене- ны в цепи связями со степенями ковалентности более 50%, но с оп- ределенной разницей в элементном составе цепей макромолекул [8]. В органических (углеродных) макромолекулах это, прежде всего, гомоядерный состав (карбоцепные и т.д.), а в неорганических (безуг- леродных), которые составляют основу многих керамик, неоргани-
чических стекол и связующих - обычно гетероядерный состав (по- лисилоксаны, полифосфороксаны и т.д.). А далее появляется и спе- цифика связей элементов в цепях макромолекул (метало - ковалент- ная или метало – ионно-ковалентная) и межмолекулярного взаимо- действия (прежде всего, ван-дер-ваальсовое и водородное в первых, и ионное и водородное во вторых) и их свойств [8,10]. Таким образом, современные тенденции в развитии материалове- дения характеризуются, прежде всего, накоплением значительного объема количественной информации о структуре и свойствах, как традиционных металлических материалов, так и за счет расширения номенклатуры новых, полученных в последнее время наукой и про- мышленностью материалов. И, прежде всего, за счет органических и неорганических полимерных материалов, керамик и композицион- ных материалов на их основе. И здесь возникает первая проблема – отсутствие теоретической базы объединяющей все это многообразие на единой фундаментальной научной основе. Второй проблемой и особенностью, характеризующей сегодняш- ний уровень развития материаловедения, является традиционное признание факта, что теоретическую основу этой науки составляют соответствующие разделы физики и химии, хотя при этом до сих пор утверждается, что «наука о материалах развивается в основном экс- периментальным путем» [18]. Поэтому, следует признать, что сего- дня, материаловедение еще не достигло уровня строгой фундамен- тальной естественной науки, так как в ней отсутствуют два основ- ных признака (критерия) этого: единая теория строения основного материального объекта ее исследования (в данном случае материала) и система, объединяющая на научной основе различные виды метал- лических и неметаллических материалов. В результате, конкретиза- ция и упорядочение изложения единых теоретических основ мате- риаловедения представляется крайне важной и актуальной задачей этой учебной дисциплины на современном историческом этапе, по- зволяющей раскрыть индивидуальность этой важнейшей учебной и научной дисциплины, показать единство и специфику структуры и свойств внешне казалось бы, таких различных материалов как ме- таллы, полимеры керамика и т. д. И поэтому, материаловедение как традиционно прикладная тех- ническая наука сегодня неминуемо вступает в новый этап своего развития. Он связан со становлением ее индивидуальных особенно- стей, позволяющих рассматривать ее уже не просто как «механиче- ский» симбиоз достижений химии, физики, механики и технологии, а как науку, характеризуемую качественно новой совокупностью признаков, отличающих материаловедение (ее объект и предмет ис- следования) от каждой из вышеперечисленных дисциплин [9-17]. Приведенные выше данные свидетельствуют о том, что к началу XXI века имеет место необходимость конкретизации
содержания предмета материаловедения и его основных разде- лов. Это связано, прежде всего, с соответствующим накоплением количественной информации в материаловедении и расширением номенклатуры известных материалов (в первую очередь, за счет ор- ганических (углеродных), элементоорганических (смешанных) и неорганических (безуглеродных) полимеров и материалов на их ос- нове: пластмасс, эластомеров, керамик и т.д.). Кроме того, имеет место развитие и определенное фундаментальное становление мате- риаловедения как научной и учебной дисциплины, заключающееся в большей конкретизации его основного объекта (материала) и пред- мета, а также попытки подведения единых теоретических основ под металлические и неметаллические материалы. Необходимо учитывать и тот факт, что объемы производства по- лимерных и керамических материалов становятся соизмеримыми с объемами производства традиционных металлических материалов. Причем первые находят все большее применение не только в качестве функциональных, но и конструкционных материалов, завоевывая при этом все больше областей практического использования. А если учесть и широкую гамму материалов нового поколения (типа композиционных материалов (КМ) на основе всех основных важнейших материалов (металлов, полимеров и керамик), гибридных материалов и т.д., а также комплекс их эксплуатационных свойств, не присущих классическим материалам, то исследование специфики их структуры и свойств с единых научных позиций становится чрезвычайно важным. Строго говоря «чистые» металлические (например, железо) и неметаллические материалы (например, алмаз или графит) чаще всего не могут быть использованы в качестве конструкционных материалов, так как не обладают комплексом соответствующих эксплутационных свойств. Именно поэтому железо в чистом виде не представляет практического интереса как конструкционный материал. Только в виде сплава с углеродом (стали и чугуны) оно приобретает ценные эксплутационные характеристики конст- рукционного материала. Но при этом рост прочности определяется, прежде всего, появлением и увеличением доли фазы цементита в сплаве, которая по своей природе является уже неметаллом, так как ковалентность связи Fe-C в ней превышает металличность[15,16]. Опора современного материаловедения на три основных ти- па конструкционных и функциональных материалов (металлы, керамика и полимеры) и их симбиоз в виде композиционных материалов (КМ) или промежуточных между ними соответст- вующих гибридных соединений и материалов на их основе (ти- па металлических стекол или аморфных металлов, полупровод- ников, ситаллов, интерметаллидов и т.д.) может быть в общем виде представлен (рис.1.) следующим образом:
Полимеры Керамика Рис.1. Основные виды применяемых материалов в единой системе материаловедения Из вышерассмотренного следует, что современное материалове- дение, опираясь на ряд основных типов материалов {металлы, орга- нические или неорганические полимеры, керамика и композицион- ные материалы (композиты) на основе трех перечисленных}, пред- ставляет собой комплексную (междисциплинарную) науку и учеб- ную дисциплину. Она основана на симбиозе как минимум четырех наук: химии, физики, механики и технологии (или производную дисциплину от этих четырех наук). Вклад каждой из них различен [13,31]: химия это, прежде всего, вклад в теоретическое и практическое изучение специфики химической структуры (тонкого электронно- ядерного микроструктурного уровня и т.д.) и свойств конкретных химических веществ и материалов на их основе; физика это - методы исследования структуры в целом и свойств материалов, моделирование и теоретические обобщения; механика это, прежде всего, методы испытаний механических и деформационных свойств, их оценка и интерпретация; технология это - методы изменения – модификации (легирования) структуры и свойств уже готовых материалов, а также способы и тех- нологии их переработки в конечные изделия. 1.2. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ СОВРЕМЕННОГО ЭТАПА РАЗВИТИЯ Таким образом, учитывая современные тенденции в развитии ма- териаловедения, основной его целью сегодня является выработка еди- ных универсальных подходов к научному прогнозированию и конст- руированию структуры и свойств материалов любой природы (ме-
Доступ онлайн
В корзину